非接觸式液位傳感器的設計（自動化）

                             任國晶，王惠玲，李寶生

               （中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱150001）

 摘要：通過對電容式液位傳感器的分析與研究，設計了一種新的大量程非接觸電容式液位傳感器，介紹了該傳感器的工作原理及詳細設計方案。傳感器采用電容陣列式的探頭密封結構、基于頻域測量法的檢測電路和以單片機為核心的控制電路。實測結果表明：傳感器精度在1.5%F．S范圍內，輸出穩定，漂移小，受溫度影響小。該傳感器既適合大量程的液位測量，又能通過靈活增減敏感元件個數，滿足不同測量范圍的需要。

關鍵詞：傳感器；電容陣列；頻域測量；液位

中圖分類號：TP212  文章編號：1006 - 2394( 2016) 06 - 0041  - 04

0  引言

    隨著現代化控制和自動化技術的發展，液位傳感器廣泛應用于航空航天、艦船、水利、石油、化工、冶金等各個領域的自動檢測和控制系統中，而且發揮著越來越顯著的作用。電容式傳感器以其結構簡單、靈敏度高、動態響應好、抗過載能力強、能在高溫、輻射、強烈振動等惡劣條件下工作等優點得到了廣泛的應用。小到納米數量級的測量，大到數米的測量范圍；既可以進行靜態測量，也可以進行動態測量。本文設計了一種大量程、非接觸式電容式液位傳感器，負責系統的汲水、投水以及藥劑預混的控制及動作執行。傳感器用于實時采集水箱中的水量，并向控制盒上傳水量數據。

1  傳感器的工作原理

    傳感器由敏感元件與檢測電路組成。敏感元件采用電容陣列式結構，由多對電極組成，所有電極是平行排列的金屬棒或圓形金屬環，每對電極組成一個電容，其介質為被測液體（主要成分為海水）或空氣。敏感元件外側裝有外殼，將敏感元件部分與被測介質隔離，避免敏感元件被腐蝕，通過電磁場的邊緣分布效應進行感應。敏感元件部分示意圖如圖1所示，其中各小電容的高度、間距及兩極板的距離可根據不同的精度要求進行設計。

    檢測電路采用頻域測量法進行檢測，電容與振蕩器組成一個調諧電路，振蕩器工作頻率隨被測電容的增加而降低，由于被測液體（主要成分為海水）的介電常數大約是空氣介電常數的80倍，因此，檢測到的電容C _n與C_n+1的值會相差很大，根據檢測每對電容的值，就可以找到發生電容突變的電容的位置，這就很容易判斷液位的位置。

2傳感器的設計方案

    傳感器由硬件設計和軟件設計兩部分組成。硬件設計包括電容式傳感器、檢測電路、控制電路、V/I轉換電路；軟件設計是單片機編程，進行頻率信號的采集和計算，并判讀液位輸出。

    電容傳感器將LC振蕩器的振蕩頻率信號變換后輸出至檢測器，檢測器負責對被檢測電容轉換的頻率信號進行實時采集，并對數據進行存儲和比較，最后由V/I轉換電路產生4～20 m A的輸出。

2.1敏感元件設計

    傳感器設計成一種圓環電容式結構，其傳感原理借助于兩個帶狀電極間電磁場的邊緣分布效應(fringeeffect)，如圖2所示。

    傳感器套管縱向放在被測介質中。套管由ABS材料制成，外壁上鑲嵌有多對金屬環狀電極，形成圓環電容式結構，如圖3所示。

    電極間的電場耦合強度與電極周圍材料的介電特性密切相關。只要兩電極間的電場能量足以穿透套管，電極間電場耦合強度則與套管外的被測介質有關。在電場作用下，兩個電極構成一個電抗元件，其電特性既可能呈容性，也可能呈感性。如果電抗元件的數值能夠隨著套管外被測介質的改變而變化，它就滿足了作為敏感元件的基本條件。傳感器的阻抗在1~ 280MHz范圍內呈現容抗特性，其后隨著測量頻率的升高轉化為感抗傳感器，本傳感器的振蕩頻率在280 MHz范圍內，因此呈現較好的容抗特性。

2.2硬件電路設計

2.2.1數據采集模塊

    電容傳感器與壓控振蕩器組成的調諧電路的輸出頻率很高，由于傳輸和記錄高頻信號的需要，在單片機對輸入信號進行處理之前需要對調諧電路的輸出頻率進行分頻，以取得在單片機處理范圍之內的所需頻率。采取預分頻器件和紋波計數器對調諧電路的輸出頻率進行二次分頻，使單片機輸入端的頻率信號滿足要求。

2.2.2    CPU處理模塊

    單片機是整個控制電路的核心，這里選用Infineon公司的單片機XC886，該單片機是高性能8位微控制器，兼容8051處理器，用于對采集的信號進行分析、處理，輸出轉換后的數據送給V/I轉換電路，并控制V/I轉換電路輸出相對應的電流值。單片機外接BDM接口，用于程序的燒錄與調試。

2.2.3供電模塊

    傳感器前端檢測器與采集器由一個直流電源供電，其中，采集器直接接入直流電源，采集器將輸入電壓進行DC變換后再為下級檢測器供電，以達到通過采集器上的電源模塊控制檢測器電源開關的目的。同時，為了使電路工作穩定，在采集器的電源輸入端接電壓調節電路，以穩定檢測器中各元件的V _cc供電電壓。

2.2.4數據通信模塊

    系統采用總線實現各檢測器間及檢測器與采集器間的數據傳輸。同時，為了方便對不同檢測器進行識別，單獨設置一條數據傳輸線，在程序初始化時，由采集器對串接在一起的各檢測器發送順序編號命令，通過向各傳感器順序寫入ID號進行排序，如此，簡化了人工進行跳線標識排序的工作，減少了出錯的機率。

    傳感器的檢測電路原理如圖4所示，采用單片機和計算機通信技術，傳感器將LC振蕩器的頻率信號輸出至檢測器，檢測器根據頻率數值進行比較和計算，由單片機將液位所在的電容位置對應的電流值發送給V/I轉換電路，輸出4～20 m A信號。

    根據圓環電容傳感器測量原理，由于被測介質的變化，引起圓環電容的介質變化，于是電容值就會改變，從而引起LC的振蕩頻率變化，將所產生的頻率信號通過分頻器轉換成單片機可識別的頻率信號后進行數據處理。該傳感器電路核心部件選用頻率振蕩器集成芯片

MC1648D，該芯片工作的上限頻率為225 MHz，工作電源為5~7 V。由LC振蕩電路產生頻率信號通過分頻器、檢波電路、隔直放大和整流濾波電路后獲取最終的頻率信號。其振蕩頻率實為并聯LC諧振頻率，即：

    由此可見，隨著水電介質和空氣電介質的變化，式(3)中的C_p會發生較大地變化，因此式(1)中的f就會發生較大地變化，可以間接的測量液位。

2.3軟件設計

    軟件系統的設計是在Keil C51環境下完成的。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，它提供了豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。軟件流程圖如圖5所示。

2.4結構設計

傳感器的整體結構圖如圖6所示。

    傳感器的外殼2采用ABS材料制成，具有較好的力學性能和較強的耐腐蝕性。通過有效的結構密封及水密電連接器，使探頭部分與外界被測介質完全隔離，能在潮濕、雨淋狀態下正常工作。探頭部分是采用級聯方式完成的，可根據不同測量范圍的需要，靈活的增減敏感元件的個數，而不需要進行大量的結構改動。

    由于傳感器的測量范圍較大(0～2 000 mm)，為了提高抗振性能，適應飛機上振動等惡劣環境，敏感元件橫向與外殼緊密，縱向兩端受壓，這種靜不定結構有效地減少了振動引起的敏感元件與外殼間的相對位移，減輕了外殼與敏感元件連接處的應力集中。

3試驗與分析

    液位傳感器的實驗室標定是設計傳感器過程中非常重要的一個環節。只有通過實驗室條件下的標定試驗與回歸分析，才能定量刻畫出傳感器振蕩頻率與被測介質介電常數變化之間的相互關系。現以傳感器的有效測量長度2 000 mm為例進行試驗，傳感器的分辨率為30 mm，通過軟件監測，試驗結果如表1所示。

    從數據可以看出，在液位滿量程范圍內，傳感器最大絕對誤差為16. 25 mm。

    通過選取隨機測量點進行測量，傳感器最大絕對誤差為30 mm。

    傳感器進行多個回程試驗的試驗數據如表2所示。

    用最小二乘法計算出：在滿量程范圍內，非線性為0.52%，準確度為1.1%。    

此外，傳感器還進行了零點漂移的試驗，來驗證其穩定性。傳感器在通電8h之內，零點輸出最大誤差為5A，通電24 h之內零點輸出最大誤差為6A。

    通過對多只傳感器進性能測試，傳感器各項性能指標與上述結果相差不大，一致性好。

4結論

    本文提出了一種新型大量程非接觸式電容陣列式液位傳感器，采用頻域測量法進行液位檢測，由單片機通過數字量的判斷來實現液位計算，具有精度高、線性好、穩定性好等特點，能夠很好地滿足工程需要。此外，該傳感器不僅能作為精確測量液位的裝置，還能有效分辨不同介質液體的分界面，測量其液位。由于該傳感器探頭結構設計的靈活型，可拓展到其他應用領域，包括船舶、石油化工、鍋爐、水處理等軍用民用領域。